一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法技术

技术编号:22043328 阅读:97 留言:0更新日期:2019-09-07 11:40
本发明专利技术公开一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,属于晶体生长领域,该方法采用了高温时与氮元素发生化学反应的除氮物质,所形成的氮化物在碳化硅合成温度范围内以稳定的形态存在,有效避免氮杂质进入碳化硅晶格中,突破了目前传统的碳化硅原料合成方式,实现了低氮含量的碳化硅原料合成,其氮含量低于2×10

A Method for Reducing Nitrogen Impurity Content in Silicon Carbide Powder

【技术实现步骤摘要】
一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法
本专利技术涉及晶体生长领域,特别是涉及一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法。
技术介绍
作为第三代半导体材料,碳化硅(SiC)单晶具有禁带宽度大,抗辐射能力强,击穿电场高,介电常数小,热导率高,电子饱和漂移速度高,化学稳定性高等独特的特性,可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件,应用于硅器件难以胜任的场合,被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用,尤其在国防军事上有着重要的战略地位,因此受到各国的高度重视。目前,生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(PhysicalVaporTransport,即PVT法),且在升华系统中形成的晶体具有较低的缺陷水准,因此也是主要商业化量产的技术。在采用PVT法生长SiC晶体时,生长设备、石墨元件和保温材料无法避免受到氮杂质的污染,这些材料会吸附大量的氮杂质,从而导致所生长的SiC晶体中氮杂质含量较高。而用于晶体生长的原材料——SiC粉体,目前商业化生产的高纯SiC粉体原料纯度一般只能达到99.999%的纯度,其中的氮含量大都在5×1016个/cm3以上的水平,严重影响其后续产品——高纯半绝缘碳化硅单晶中的氮含量。因此,降低粉体原料中氮杂质含量,对于制备高纯半绝缘碳化硅晶体具有重要的意义。目前通用的高纯碳化硅粉体合成技术,主要采用高纯硅粉和高纯碳粉高温固相合成,即自蔓延高温合成。如中国专利CN102701208A通过的方法是将高纯硅粉和高纯碳粉混合均匀后,然后进行高真空热处理,即采用高纯惰性气体在不同压力和不同温度下抽真空清洗,可以获得氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体(氮浓度约1.5×1018个/cm3),但远高于当前高纯粉料对氮含量的要求。中国专利CN103708463A公开了公斤级高纯碳化硅粉的制备方法,该方法首先进行坩埚镀膜预处理,先镀碳膜然后镀碳化硅膜,然后将硅粉和碳粉混合均匀后放入中频加热炉,升温通入氩气、氦气等气体,保温一定时间后降温,即可得到公斤级高纯碳化硅粉料,但氮杂质浓度仍未得到有效降低。中国专利CN101302011A公开了用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法,主要采用二次合成方法,将硅粉和碳粉混合后,第一次先低温1500℃合成,然后将一次合成的粉料混合均匀后升高温度到1800-2000℃进行二次合成,该方法可有效降低硅粉和碳粉中的部分杂质元素,但对于降低氮元素而言并未采取针对性的措施,第一次合成过程中氮元素已经参与反应并均匀掺入了碳化硅晶格中,因此该方法不能有效降低氮杂质的含量。中国专利CN103508454B也存在上述专利中同样的问题,即未采取针对性措施抑制氮元素参与反应,导致氮元素在碳与硅原料开始反应时就进入了晶格。因此,降低碳化硅粉体氮杂质含量,对于制备高纯半绝缘SiC晶体具有重要的意义。
技术实现思路
为解决传统自蔓延合成SiC粉体存在的氮杂质浓度过高的问题,本专利技术提供一种可用于高纯半绝缘SiC单晶生长用的低氮杂质浓度的碳化硅粉体合成方法。为实现上述目的,本专利技术提供了如下方案:本专利技术提供一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,包括以下步骤,(1)将硅原料和碳原料充分混合;(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质,之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中;所述坩埚材料为高纯石墨,纯度为99.9995%以上;(3)对反应室抽真空,降低反应室中的氧气与氮气的含量;(4)对反应室加热,升高温度,使除氮物质与氮元素反应,形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物;(5)向反应室中通入惰性气体,维持反应室的压力,逐渐升高反应室的温度,使碳原料和硅原料发生反应,逐渐降温至室温,结束反应;(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去,得到低含氮量的碳化硅原料;进一步地,所述硅原料为硅的单质形态,包括硅粉、硅颗粒或无定型硅;所述碳原料为碳的单质形态,包括石墨、金刚石或无定型碳。进一步地,所述硅原料采用硅粉,硅粉颗粒度为0.01~3mm,纯度为99.999%以上;进一步优选为,硅粉原料颗粒度为0.5~1mm,纯度为99.9999%以上;所述碳原料为碳粉,碳粉颗粒度为0.01~5000μm,纯度为99.99%以上;进一步优选为,碳粉原料颗粒度为0.5~25μm,纯度为99.999%以上。进一步地,所述硅粉与碳粉的摩尔比为0.9:1~1.1:1,进一步优选为硅粉与碳粉的摩尔比为1:1。进一步地,所述除氮物质包括铝、钛、钽、锆或其任意组合,纯度均在99.9%以上,形态为粉末状固体,掺入量与碳原料的摩尔比范围是0.001~0.1,除氮物质放置于硅原料和碳原料混合物的上表面、下表面或其他任意位置,该除氮物质可在900~1400℃可以与氮元素发生化学反应形成氮化物,所形成的氮化物在碳化硅合成过程中不发生分解,以固态形式存在于碳化硅粉体表面、底部或者以气态形式随惰性气体排出反应室。进一步地,在步骤(3)中,所述反应室的真空度低于10-3Pa,进一步优选为真空度低于10-4Pa。进一步地,在步骤(4)中,所述反应室温度为900~1200℃,反应时间1~20h,在此温度下,除氮物质与氮元素发生反应,而碳原料与硅原料不发生反应,氮杂质与除氮物质反应后,形成稳定的固态化合物存在于反应室内,或者形成气态的化合物被转移出反应室。进一步地,在步骤(5)中,所述惰性气体包括He、Ne、Ar或其任意组合,所述惰性气体纯度为99.999%以上;所述惰性气体的流量为1~1000sccm,进一步优选为200~500sccm。进一步地,在步骤(5)中,所述反应室压力为0.001~80KPa,进一步优选为20~60KPa。进一步地,在步骤(5)中,所述反应室碳原料和硅原料发生反应的温度为1500~2800℃,进一步优选为1800~1950℃;反应时间1~30h,进一步优选为5~15h。在步骤(6)中,所得到的低含氮量的碳化硅原料,晶型为2H、3C、4H、6H、15R及其任意组合,其氮杂质含量为2×1016个/cm3以下,其形态可以是粉末、颗粒、块体及其任意组合。本专利技术公开了以下技术效果:本专利技术的方法中,采用了高温时与氮元素发生化学反应的除氮物质,所形成的氮化物在碳化硅合成温度范围内(1800~1950℃)以稳定的形态存在,有效避免氮杂质进入碳化硅晶格中,突破了目前传统的碳化硅原料合成方式,实现了低氮含量的碳化硅原料合成,其氮含量低于2×1016个/cm3,该原料尤其适于高纯半绝缘SiC单晶的生长。附图说明图1为本专利技术所使用的反应室结构剖面示意图;其中,1、坩埚上盖,2、坩埚,3、除氮物质,4、碳、硅混合物,5、感应线圈,6、保温毡。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,如图1所示,本专利技术所使用的碳化硅合成反应室,其主要结构和材料包括:保温毡6,感应线圈5,坩埚2,坩埚上盖1,碳、硅混合物4,除氮物质3。通过感应线圈对坩埚加热,使坩埚表面产生高温,在保温毡的绝热作用下,通过热传导作用,坩埚内部内的碳、硅混合物及除氮物质都被加热,本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,其特征在于,包括以下步骤,(1)将硅原料和碳原料充分混合;(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质,之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中;(3)对反应室抽真空,降低反应室中的氧气与氮气的含量;(4)对反应室加热,升高温度,使除氮物质与氮元素反应,形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物;(5)向反应室中通入惰性气体,维持反应室的压力,逐渐升高反应室的温度,使碳原料和硅原料发生反应,逐渐降温至室温,结束反应;(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去,得到低含氮量的碳化硅原料。

【技术特征摘要】
1.一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,其特征在于,包括以下步骤,(1)将硅原料和碳原料充分混合;(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质,之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中;(3)对反应室抽真空,降低反应室中的氧气与氮气的含量;(4)对反应室加热,升高温度,使除氮物质与氮元素反应,形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物;(5)向反应室中通入惰性气体,维持反应室的压力,逐渐升高反应室的温度,使碳原料和硅原料发生反应,逐渐降温至室温,结束反应;(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去,得到低含氮量的碳化硅原料。2.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,其特征在于,所述硅原料为硅的单质形态,包括硅粉、硅颗粒或无定型硅;所述碳原料为碳的单质形态,包括石墨、金刚石或无定型碳。3.根据权利要求2所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,其特征在于,所述硅原料采用硅粉,硅粉颗粒度为0.01~3mm,纯度为99.999%以上;所述碳原料为碳粉,碳粉颗粒度为0.01~5000μm,纯度为99.99%以上。4.根据权利要求3所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法,其特征在于,所述硅...

【专利技术属性】
技术研发人员:牛晓龙杨昆张福生刘新辉路亚娟
申请(专利权)人:河北同光晶体有限公司
类型:发明
国别省市:河北,13

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